Значения степени уплотнения

Q	N	Q	N
0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50	0,005 0,02 0,04 0,08 0,12 0,17 0,24 0,31 0,39 0,49	0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00	0,59 0,71 0,84 1,00 1,18 1,40 1,69 2,09 2,80

 

 

Расчет развития осадки во времени производят в определенной последовательности: а) определяют величину конечной осадки S; б) вычисляют безразмерное число N для разных значений t по величинам коэффициента уплотнения и коэффициента фильтрации, установленным лабораторным путем для заданного интервала нагрузок; в) находят по табл. 3.1 значение Q (N) для разных значений t, вычисляют значение S по формуле (3.51); г) строят график зависимости S_t = f(t) в таком виде, как показано на рис. 3.20.

 

 

 

Рис. 3.20. График затухания глинистого грунта от времени St = f(t).

 

 

Формулу (3.50) можно использовать также для установления периода времени, необходимого для уплотнения слоя глины до заданной степени плотности под заданной нагрузкой:

 

.

(3.52)

 

Для упрощения расчетов в табл. 20П приведены значения N в зависимости от величины Q (N) для различных случаев уплотняющего давления, как показано на рис 3.17.

Для более сложных случаев можно использовать выражения (см. рис. 3.19 и табл. 21П):

 

д л я с л у ч а я (0 – 1)

 

.

(3.53)

 

д л я с л у ч а я (0 – 2)

 

.

(3.54)

 

Используя приведенные таблицы и результаты лабораторных испытаний, можно вычислить осадку для любого интервала времени t. Для этого вначале вычисляют конечную осадку S, затем задаются значения Q (N) (например 0,1; 0,2; 0,3 и т.д.) и вычисляют значение S_t. Далее отыскивают в табл. 20П соответствующее значение N и вычисляют по формуле (3.52) значение времени. По полученным данным строят график S_t = f(t).

Результаты вычислений по формулам теории фильтрационной консолидации хорошо совпадают с данными натуральных наблюдений для грунтов пластичной консистенции, содержащих большое количество свободной воды, супесей, илов, суглинков. Для глин и суглинков в тугопластичной и твердой консистенции, содержащих только связанную воду, теория фильтрационной консолидации неприменима. В последнем случае следует ориентироваться на имеющиеся результаты наблюдений за осадкой зданий и сооружений, выстроенных на грунтах этого типа.

Выведенные формулы применимы для расчета осадки фундаментов по методу эквивалентного слоя при условии замены фактической эпюры сжимающих давлений эквивалентной треугольной эпюры с высотой Н =2h_s. При этом в формулах (3.50, 3.52) h следует заменить на h_s. Метод эквивалентного слоя Н.А. Цытовича обеспечивает выполнение расчета осадки во времени для грунтов, содержащих в основании свободную воду, с точностью отвечающей практическим требованиям.

 

Реология грунтов

Реология – наука о течении материалов (от греческого Rheo – течение, движение). В грунтах это течение проявляется в виде ползучести его скелета (компрессионная или вторичная консолидация),т.е. достаточно длительном развитии деформаций во времени. В зависимости от величины напряжений в грунте деформации во времени могут быть затухающими, тогда имеет место затухающая или неустановившаяся ползучесть (кривая а, рис.3.21); незатухающими, тогда мы имеем дело с установившейся ползучестью (кривая б, рис.3.21) либо прогрессирующим течением (кривая в, рис.3.21).

В первом случае или стадии ползучести скорость деформации постепенно уменьшается с течением времени, стремясь в пределе к нулю. Во второй стадии скорость деформации постоянна во времени, а в третьей она непрерывно увеличивается, стремясь в пределе к ∞ (рис.3.21).

Реологические процессы наиболее характерны и значимы для глинистых грунтов, имеющих внутренние связи двух родов: жесткие – цементно-кристаллизационные и вязкие – вводно-коллоидные, в связи с чем в них наблюдается ползучесть минерального скелета грунта и тонких вводно-коллоидных оболочек твердых частиц.

 

 

Рис. 3.21. Возможный характер протекания деформаций грунтового основания

во времени при действии местной нагрузки: а – затухающие деформации; б – деформации, нарастающие с постоянной скоростью; в – прогрессирующие деформации.

 

 

Ползучесть скелета грунта обусловлена невосстанавливающимися сдвигами частиц и их агрегатов, а ползучесть вводно-коллоидных оболочек – их вязкостью. Чем меньше вязкость грунта, тем в большей степени проявляется его ползучесть и, наоборот.

Для связных грунтов ползучесть скелета сказывается при любой нагрузке. Для тугопластичных, полутвердых и твердых глин ползучесть скелета может обусловливать значительную часть деформаций, а иногда почти всю деформацию. Для грунтов сыпучих ползучесть сказывается лишь при значительных давлениях.

Основными факторами, обуславливающими разные стадии ползучести являются перестройка структуры грунтов и возникновение и развитие микротрещин.

В первой стадии происходит уменьшение существующих микротрещин и объема грунта, т.е. его консолидация (consolido – упрочнение, сплочение). В отличие от рассмотренной ранее первичной (фильтрационной) консолидации затухающую ползучесть называют вторичной (вязко-ползучей) консолидацией. Если первичная консолидация происходит за счет отжатия и фильтрации воды под давлением, то вторичная консолидация возникает вследствие деформаций ползучести минерального скелета грунта и тонких вводно-коллоидных твердых частиц.

Во второй стадии происходит перестройка структуры при неизменном объеме грунта. Это стадия пластично-вязкого течения грунта.

В третьей стадии наблюдается разуплотнение грунта и уменьшение его сопротивления вследствие появления все новых микротрещин и дефектов, приводящих грунт в хрупкое разрушение или в вязкое течение со все возрастающей скоростью деформаций.

Для практики основное значение имеет стадия затухающей ползучести и лишь в некоторых случаях допускается установившаяся ползучесть. Стадия прогрессирующего течения в основаниях сооружений не допускается.

Затухающая ползучесть имеет место лишь при величине внешнего давления, не превосходящего определенной величины, а далее она переходит в незатухающую ползучесть.

Для того, чтобы оценить ползучесть грунта, необходимо знать расчетные параметры ползучести. Поскольку ползучесть есть деформация грунта во времени, то логично рассмотреть параметр ползучести по аналогии с параметром сжимаемости грунта . Как известно, осадка S слоя грунта h под действием давления p равна:

 

(3.37)

 

Исходя из (3.37), имеем

 

(3.55)

 

где ε – относительная деформация слоя грунта h под давлением p.

 

При единичном значении p имеем

 

, (3.56)

где

 

- относительная деформация при единичном значении p;

- коэффициент относительной сжимаемости при единичном значении p.

 

Поскольку ползучесть, определяемая как деформация грунта во времени, является скоростью деформаций, возьмем первую производную от левой и правой части выражения (3.56). Тогда

 

, (3.57)

 

где - параметр ползучести грунта при единичном значении напряжения.

 

Обозначим параметр как . Этот параметр носит название ядра ползучести и характеризует собой скорость ползучести при постоянном напряжении, отнесенной к единице действующего давления.

Тогда имеем

,

 

откуда величина деформаций ползучести при однократном загружении напряжением σ(t) будет равна

 

(3.58)

 

Это уравнение показывает, что деформация скелета грунта зависит от напряженного состояния за время, прошедшее только от начала загружения.

Если относительная деформация скелета грунта зависит также и от предыдущей истории загружения то ядро ползучести будет иметь вид и уравнение относительной деформации ползучести при однократном загружении будет иметь вид

 

(3.59)

 

Полная деформация скелета грунта равна сумме мгновенной деформации в момент t (при модуле мгновенной деформации ) и деформации, которая накапливается во времени пропорционально напряжению σ(, промежутку времени действия и функции , зависящей от времени, прошедшего с момента ядру ползучести):

 

(3.60)

 

или

 

(3.60а)

 

При непрерывном загружении уравнение (7а) имеет вид

 

], (3.61)

 

где .

 

Уравнения (3.60 а) и (3.61) показывают, что полная относительная деформация скелета грунта зависит не только от напряженного состояния за время, прошедшее от начала загружения, но и от предыдущей истории загружения (, почему и теория получила название теории наследственной ползучести Больцмана – Вольтерра.

Ядро ползучести может описывать как затухающую, так и незатухающую стадии ползучести.

Для 1-ой стадии (затухающей) ползучести, имеющей наибольший интерес для практики строительства промышленно-гражданских сооружений, наиболее применимо ядро ползучести экспоненциального вида:

 

, (3.62)

 

где δ, δ₁ – параметры ползучести (коэффициент ядра ползучести δ и коэффициент затухания ползучести δ₁).

При расчете осадок оснований сооружений важно установить, когда необходимо применять ту или иную теорию деформации грунтов, т.е. одну теорию ползучести, или с учетом фильтрационной консолидации и т.д. В этом вопросе значительную роль играют два основных фактора: природная уплотненность и степень водонасыщенности грунтов.

Например, для грунтов текучепластической и мягкопластической консистенции наиболее применима классическая теория фильтрационной консолидации, однако только для первой ступени нагрузки и при однократнзм нагружении. Если же эти грунты будут предварительно уплотнены, то при следующих ступенях нагрузки в расчетах осадок оснований необходимо учитывать структурную прочность грунтов.

Для глинистых грунтов тугопластичной, полутвердой и твердой консистенции наибольшая доля всей осадки обусловливается ползучестью скелета грунта и описание процесса уплотнения с позиций только фильтрационной консолидации будет недостаточным.

Учет ползучести скелета при изучении напряженно-деформированного состояния грунтов дает результаты, наиболее отвечающие реальной действительности, чем расчеты только на основании теории фильтрационной консолидации. Это говорит о важности изучения реологических процессов, возникающих в грунтах под действием внешних сил.